Messprinzipien: Pulsoxymetrie, Kapnographie, Gasanalyse und Temperatur

Die Pulsoxymetrie ist das am häufigsten genutzte Messverfahren der Anästhesie und zugleich eines der am häufigsten missverstandenen. Sie misst nicht den Sauerstoffgehalt und nicht den Sauerstoffpartialdruck, sondern schätzt aus Lichtabsorption den Anteil des oxygenierten am funktionellen Hämoglobin im pulsierenden, also arteriellen Blut. Um ihre Grenzen zu verstehen, braucht es drei physikalische Schritte: das Gesetz von Lambert-Beer, die zwei Wellenlängen und das Verhältnis R mit seiner empirischen Kalibrierung.

Lambert-Beer: Absorption, Konzentration und Weglänge

Licht, das durch eine Lösung fällt, wird geschwächt. Nach dem Gesetz von Beer ist die Absorption proportional zur Konzentration der absorbierenden Substanz, nach Lambert proportional zur Weglänge. Zusammen gilt: Absorbanz A = ε × c × d, mit dem stoffspezifischen, wellenlängenabhängigen Extinktionskoeffizienten ε, der Konzentration c und der Schichtdicke d. Die Absorbanz ist logarithmisch definiert: A = log₁₀(I₀/I), der durchgelassene Anteil beträgt also 10 hoch −A. Bei einer Absorbanz von 1 kommen noch 10 % des Lichts an, bei 2 noch 1 % (Lehrbuchwissen). Im Gewebe gilt das Gesetz nur näherungsweise, weil Licht gestreut wird und die Weglänge nicht bekannt ist; genau deshalb braucht die Pulsoxymetrie einen Kunstgriff.

Zwei Wellenlängen und der pulsatile Anteil

Oxygeniertes und desoxygeniertes Hämoglobin absorbieren Licht unterschiedlich. Im roten Bereich bei etwa 660 nm absorbiert desoxygeniertes Hämoglobin deutlich stärker, im nahen Infrarot bei etwa 940 nm absorbiert oxygeniertes Hämoglobin etwas stärker. Um 800 nm liegt ein isosbestischer Punkt, an dem beide gleich absorbieren. Der Sensor sendet abwechselnd rotes und infrarotes Licht durch Finger oder Ohrläppchen und misst zusätzlich bei ausgeschalteten Dioden das Umgebungslicht, das er abzieht (Lehrbuchwissen).

Das durchgelassene Licht enthält einen großen konstanten Anteil (DC) aus Haut, Knochen, venösem Blut und dem nicht pulsierenden arteriellen Blut und einen kleinen pulsierenden Anteil (AC), der durch die arterielle Volumenzunahme in der Systole entsteht. Der Trick besteht darin, nur den pulsierenden Anteil auszuwerten. Für jede Wellenlänge wird AC durch DC geteilt; damit fallen die unbekannten Größen wie Lichtstärke und Gewebedicke heraus. Das Verhältnis dieser beiden Quotienten ist das Verhältnis R („ratio of ratios“): R = (AC₆₆₀/DC₆₆₀) / (AC₉₄₀/DC₉₄₀). Ist das arterielle Blut vollständig gesättigt, pulsiert im Rot wenig Absorption, R ist klein, etwa 0,4 bis 0,5. Bei R = 1 zeigen die Geräte etwa 85 %.

Empirische Kalibrierung

Aus R lässt sich die Sättigung nicht aus der Theorie berechnen, weil Streuung und Weglänge unbekannt sind. Die Hersteller ermitteln die Beziehung deshalb empirisch: Gesunde Probanden atmen kontrolliert hypoxische Gasgemische, während arterielle Proben mit CO-Oxymetrie gemessen werden. Die so gewonnene Kalibrierkurve ist im Gerät gespeichert. Daraus folgen zwei Grenzen. Erstens ist die Kurve nur so gut, wie die Probanden die spätere Patientengruppe abbilden; zweitens ist sie unterhalb der Sättigung, bis zu der Probanden entsättigt werden dürfen, kaum abgesichert. Die Norm ISO 80601-2-61 verlangt, dass die Genauigkeit als Wurzel der mittleren quadratischen Abweichung (A_rms) im Bereich von 70 bis 100 % höchstens 4 % beträgt.¹ Eine A_rms von 3 % bedeutet, dass etwa zwei Drittel der Messungen innerhalb von ±3 Prozentpunkten des Referenzwerts liegen, ein Drittel aber außerhalb.

Der pulsatile Anteil des infraroten Signals wird als Perfusionsindex angezeigt, das Verhältnis von AC zu DC in Prozent. Er ist kein Maß der Organdurchblutung, aber ein Maß der Signalqualität am Messort: Bei Vasokonstriktion, Kälte oder Vasopressoren wird er klein, und Bewegung, Umgebungslicht und elektrisches Rauschen wiegen dann schwerer. Moderne Geräte nutzen deshalb aufwendige Signalverarbeitung, um Bewegungsartefakte vom arteriellen Puls zu trennen; ohne erkennbare Plethysmographiekurve bleibt jeder Zahlenwert fragwürdig (Lehrbuchwissen).

SpO₂ ist die pulsoxymetrisch geschätzte Sättigung. SaO₂ ist die arterielle Sättigung, entweder in der Blutgasanalyse aus dem PaO₂ berechnet oder mit CO-Oxymetrie gemessen. Der Sauerstoffgehalt CaO₂ hängt zusätzlich vom Hämoglobin ab. Ein Patient mit Hämoglobin 7 g/dl und SpO₂ 99 % hat etwa die Hälfte des Sauerstoffgehalts eines Patienten mit 14 g/dl bei gleicher Sättigung. Die Rechnung und die Dyshämoglobine behandelt die Einheit Sauerstoffgehalt im Blut, Hb, Dyshämoglobine und CO-Oximetrie; hier geht es um die Messphysik der Fehler.

Die Richtung ergibt sich aus der Physik: Alles, was im Rot zusätzlich absorbiert, ohne Sauerstoff zu tragen, verschiebt R. Kohlenmonoxid ist der gefährlichste Fall, weil der Wert beruhigend normal bleibt. Bei unplausiblen Werten klärt die CO-Oxymetrie im Blutgasgerät. Sie hämolysiert die Probe und misst die Absorption bei vielen Wellenlängen; so lassen sich Oxy-, Desoxy-, Carboxy- und Methämoglobin getrennt bestimmen. Eine SaO₂ aus einer Blutgasanalyse ohne CO-Oxymetrie ist dagegen aus dem PaO₂ berechnet und übersieht Dyshämoglobine.

Hautpigmentierung und okkulte Hypoxämie

Eine pauschale Korrektur der SpO₂ nach Hautfarbe lässt sich aus den Daten nicht ableiten, weil Richtung und Größe der Abweichung zwischen Geräten und Sättigungsbereichen schwanken. Konsequenz für die Praxis: Nahe an Entscheidungsgrenzen, bei schlechter Perfusion, bei dunkler Haut und bei Widerspruch zwischen Klinik und Messwert wird die Sättigung arteriell mit CO-Oxymetrie kontrolliert.²

Weitere Grenzen: Verzögerung und Hyperoxie

Die Anzeige ist gemittelt und verzögert, und am Finger kommt eine Desaturierung später an als am Ohr oder an der Stirn, besonders bei Vasokonstriktion. Oberhalb von etwa 97 % ist die Sättigung gegenüber dem PaO₂ unempfindlich: 100 und 400 mmHg zeigen dieselben 99 bis 100 %. Nach Präoxygenierung kann die SpO₂ deshalb minutenlang normal bleiben, obwohl keine Ventilation stattfindet; die Pulsoxymetrie ist kein Monitor der Ventilation.

Die Kapnometrie misst die Kohlendioxidkonzentration im Atemgas, die Kapnographie stellt sie als Kurve über die Zeit dar. Das Messprinzip ist wieder Lambert-Beer: Kohlendioxid absorbiert Infrarotlicht, mit einem Maximum um 4,3 µm. Eine Messkammer wird mit Infrarotlicht durchstrahlt, ein Filter lässt nur diese Wellenlänge durch, und ein Detektor misst die Schwächung im Vergleich mit einer Referenz. Nur Moleküle aus mindestens zwei verschiedenen Atomen absorbieren Infrarot; Sauerstoff, Stickstoff und Helium tun es nicht. Lachgas absorbiert in der Nähe der CO₂-Bande und kann bei älteren Geräten die Messung verfälschen; moderne Geräte korrigieren das (Lehrbuchwissen).

Hauptstrom und Nebenstrom

Beim Hauptstromverfahren sitzt die Messkammer direkt im Atemsystem zwischen Tubus und Y-Stück. Die Kurve ist ohne Verzögerung und unverfälscht, der Messkopf aber schwerer und nur beim intubierten Patienten sinnvoll. Beim Nebenstromverfahren saugt der Monitor kontinuierlich eine kleine Probe über eine dünne Leitung ab und misst im Gerät. Es ist leichter, auch bei nicht intubierten Patienten nutzbar und erlaubt die gleichzeitige Messung von Sauerstoff und Anästhetika, neigt aber zu Verstopfung durch Wasser und Sekret.⁵ Die typische Absaugrate liegt im Bereich von 50 bis 200 ml/min (Lehrbuchwert). Das hat drei Folgen: Die Kurve erscheint um die Transportzeit verzögert, bei sehr kleinen Atemzugvolumina von Neugeborenen verdünnt die Absaugung das Signal, und bei Low-Flow-Narkosen muss das Probengas in das Atemsystem zurückgeführt werden. Lange Leitungen, etwa im MRT, verlängern die Verzögerung.

Phasen, Winkel und Differenz

Das normale Kapnogramm hat vier Abschnitte. Phase I ist die inspiratorische Grundlinie ohne CO₂ und der Beginn der Exspiration mit Gas aus dem anatomischen Totraum. Phase II ist der steile Anstieg, wenn Totraum- und Alveolargas sich mischen. Phase III ist das alveoläre Plateau, das leicht ansteigt, weil Lungenbezirke mit längerer Zeitkonstante und höherem CO₂ später entleeren. Der Wert am Ende von Phase III ist das endtidale CO₂. Mit der nächsten Inspiration fällt die Kurve steil auf null ab.⁵ Der α-Winkel zwischen Phase II und III wird bei Obstruktion größer, weil das Plateau steiler ansteigt; es entsteht die „Haifischflosse“. Der β-Winkel zwischen Plateau und inspiratorischem Abfall wird bei Rückatmung größer (Lehrbuchwissen).

Muster im Verlauf

Viele Diagnosen ergeben sich erst aus dem Verlauf über Minuten. Ein plötzlicher Abfall auf null bedeutet Diskonnektion, Verlegung der Probenleitung, Extubation oder Apnoe. Ein rascher, deutlicher Abfall bei weiter vorhandener Kurve spricht für einen Einbruch des Herzzeitvolumens oder eine Lungenembolie. Ein langsamer Anstieg über viele Minuten entsteht bei Hypoventilation, bei Resorption von CO₂ aus einem Kapnoperitoneum, bei Fieber und, selten, als frühes Zeichen einer malignen Hyperthermie; hebt sich zusätzlich die Grundlinie, liegt Rückatmung vor, etwa durch erschöpften Absorber oder ein defektes Ventil. Eine Einkerbung im Plateau zeigt eine beginnende Spontanatmung bei nachlassender Relaxierung, kleine Oszillationen am Ende der Exspiration entstehen durch Herzaktionen, die Gas im Atemweg bewegen. Unter Reanimation zeigt die Höhe des endtidalen CO₂ die Wirksamkeit der Thoraxkompressionen, weil der Lungenblutfluss dann der begrenzende Faktor ist (Lehrbuchwissen). Die Kurve ist also Ventilationsmonitor, Kreislaufmonitor und Gerätemonitor in einem; wer sie nur als Zahl liest, verschenkt den größten Teil der Information.

Beim Lungengesunden liegt das endtidale CO₂ 0,5 bis 0,8 kPa unter dem arteriellen PaCO₂.⁵ Die arterioendtidale Differenz wächst, wenn belüftete Alveolen nicht durchblutet werden, also bei alveolärem Totraum durch Lungenembolie, Abfall des Herzzeitvolumens, Hypovolämie, Überdehnung durch hohen PEEP oder Lagerung. Ein plötzlicher Abfall des endtidalen CO₂ bei unveränderter Beatmung ist deshalb zuerst ein Kreislaufsignal. Ein normales endtidales CO₂ schließt eine Hyperkapnie nicht aus, wenn die Differenz groß ist.

Kein anderes Monitoring hat so viele Todesfälle verhindert wie die Kapnographie bei der Intubation. Die Konsensusleitlinie des Project for Universal Management of Airways und internationaler Atemwegsgesellschaften von 2022 stellt fest: Unerkannte ösophageale Intubationen führen weiterhin zu schwerer Hypoxämie, Hirnschaden und Tod. Der Nachweis von anhaltend ausgeatmetem CO₂ mit Kurvenkapnographie ist die tragende Säule, um eine ösophageale Lage auszuschließen, und die Entfernung des Tubus ist die Standardreaktion, wenn kein anhaltendes CO₂ nachweisbar ist.⁶ Die Kurzform lautet: No trace, wrong place.

1. Nach jeder Intubation Kurvenkapnographie ab dem ersten Atemzug.
2. Anhaltend ausgeatmetes CO₂ über mehrere Atemzüge mit gleichbleibender oder steigender Kurve bestätigt die tracheale Lage.
3. Keine oder abklingende Kurve: Tubus entfernen, mit Maske oder supraglottischem Atemweg oxygenieren, dann neuer Versuch.
4. Scheint die Entfernung unsicher, wird die ösophageale Lage sofort mit einer anderen validen Technik ausgeschlossen, etwa Sicht mit dem Videolaryngoskop oder Bronchoskopie, während die Ursache des fehlenden CO₂ gesucht wird.
5. Klinische Zeichen wie Auskultation, Thoraxbewegung, Beschlagen des Tubus und eine normale Sättigung schließen eine ösophageale Lage nicht aus.

Die Liste fasst die Kernempfehlungen zusammen.⁶ Zwei Fallen sind typisch. Eine flache Kurve wird vorschnell mit Bronchospasmus, Geräteausfall oder Kreislaufstillstand erklärt; auch unter Reanimation gilt, dass eine anhaltende Kurve die ösophageale Lage ausschließen muss. Die britischen Reanimationsleitlinien 2025 formulieren: Eine anhaltende Kurve der Kapnographie muss genutzt werden, um eine ösophageale Lage auszuschließen; ein niedriger Wert allein ist kein Grund, die Reanimation zu beenden, und ein Anstieg kann eine Rückkehr des Kreislaufs anzeigen.⁷ Die zweite Falle ist die gute Sättigung: Nach Präoxygenierung bleibt die SpO₂ trotz ösophagealer Lage oft minutenlang normal. Nach Luft im Magen kann eine ösophageale Lage zudem für wenige Atemzüge kleine CO₂-Ausschläge zeigen, die rasch abklingen.

Weitere Gasanalyse: Sauerstoff, Anästhetika und Lachgas

Sauerstoff absorbiert kein Infrarot und wird anders gemessen. Er ist paramagnetisch, wird also in ein Magnetfeld hineingezogen. Im paramagnetischen Analysator strömen Probengas und Referenzgas durch ein schnell geschaltetes Magnetfeld; die entstehende Druckdifferenz ist proportional zur Sauerstoffdifferenz und wird so schnell gemessen, dass inspiratorische und exspiratorische Werte atemzugweise vorliegen. Die Brennstoffzelle, eine galvanische Zelle, erzeugt einen Strom proportional zum Sauerstoffpartialdruck; sie ist billig und robust, aber langsam und verbraucht sich, weshalb sie vor allem im Inspirationsschenkel von Beatmungsgeräten sitzt. Volatile Anästhetika und Lachgas werden über Infrarotabsorption gemessen, meist bei mehreren Wellenlängen, sodass der Monitor den Wirkstoff erkennt und Gemische trennt (Lehrbuchwissen). Das ist die zweite Barriere gegen die Fehlbefüllung eines Verdampfers, die in der Einheit Physik der Gase, Verdampfer und Strömung berechnet wird.

Temperatur wird in der Anästhesie mit vier physikalischen Prinzipien gemessen: über einen temperaturabhängigen Widerstand, über eine thermoelektrische Spannung, über abgestrahltes Infrarot und über die Unterdrückung des Wärmeflusses. Welche Methode an welchem Ort den Körperkern zuverlässig abbildet, ist eine klinische Frage; die Messorte und ihre Genauigkeit behandelt die Einheit Wärmebildung, Wärmetransport und Kerntemperatur.

Thermistor und Platinwiderstand

Ein Thermistor ist ein kleiner Halbleiter aus Metalloxiden, dessen Widerstand mit steigender Temperatur deutlich fällt (negativer Temperaturkoeffizient). Die Kennlinie ist nicht linear, aber sehr steil; schon Zehntelgrad erzeugen gut messbare Widerstandsänderungen. Thermistoren sind klein, schnell und billig und stecken in den meisten Ösophagus-, Blasen- und Rektalsonden sowie im Pulmonaliskatheter zur Thermodilution. Sie altern und werden durch Hitzesterilisation verstellt, weshalb Einwegsonden üblich sind. Ein Platinwiderstand ändert seinen Widerstand dagegen nahezu linear mit der Temperatur; er ist genauer und stabiler, aber größer und langsamer. Beide Widerstände werden in einer Wheatstone-Brücke gemessen: Vier Widerstände bilden eine Raute, an deren einer Diagonale eine Spannung anliegt; an der anderen Diagonale entsteht nur dann eine Spannung, wenn der Messwiderstand vom abgeglichenen Wert abweicht (Lehrbuchwissen).

Thermoelement

Ein Thermoelement nutzt den Seebeck-Effekt: An der Verbindungsstelle zweier verschiedener Metalle, etwa Kupfer und Konstantan, entsteht eine kleine Spannung, die von der Temperatur abhängt. Gemessen wird die Spannungsdifferenz zwischen einer Mess- und einer Referenzstelle bekannter Temperatur. Thermoelemente sind sehr klein, robust und linear genug für die Klinik, liefern aber nur Mikrovolt pro Grad und brauchen deshalb eine empfindliche Verstärkung (Lehrbuchwissen).

Infrarot und Zero-Heat-Flux

Jeder Körper strahlt Infrarot ab, dessen Leistung mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur steigt. Ein Infrarotthermometer am Ohr misst diese Strahlung vom Trommelfell. Trifft es die Wand des Gehörgangs, Ohrenschmalz oder kalte Luft, misst es die Schale. Die deutsche S3-Leitlinie empfiehlt Infrarotmessungen am Ohr und an der Schläfenarterie perioperativ nicht.⁸ Die Zero-Heat-Flux-Methode umgeht die Schale auf andere Weise: Ein Sensor auf der Stirn enthält ein Heizelement und zwei Temperaturfühler, die durch eine isolierende Schicht getrennt sind. Das Gerät heizt so lange, bis beide Fühler dieselbe Temperatur messen. Dann fließt keine Wärme mehr vom Körper nach außen, das Gewebe unter dem Sensor nimmt die Temperatur des tieferen Gewebes an, und die Hauttemperatur entspricht einer Kernnäherung (Lehrbuchwissen).

Invasive Druckmessung beruht auf einem ähnlichen Prinzip wie die Temperaturmessung mit Widerständen: Die Flüssigkeitssäule überträgt den Druck auf eine Membran, auf der Dehnungsmessstreifen sitzen; ihre Widerstandsänderung wird in einer Wheatstone-Brücke gemessen. Nullabgleich gegen Atmosphärendruck, Referenzhöhe auf Herzebene und die dynamischen Eigenschaften des Systems mit Eigenfrequenz und Dämpfung bestimmen die Genauigkeit; ausführlich mit Simulator behandelt das die Einheit Die arterielle Druckkurve. Hier genügen die Prüfungsregeln: Ein zu tief angebrachter Wandler zeigt zu hohe Drücke, etwa 7,5 mmHg pro 10 cm Höhendifferenz; ein unterdämpftes System überschätzt den systolischen Druck, ein überdämpftes unterschätzt ihn, der Mitteldruck bleibt in beiden Fällen annähernd richtig (Lehrbuchwissen).

Typische Fehlannahmen

Checkliste: Wann ist ein Messwert zu kontrollieren?

• SpO₂ passt nicht zur Klinik, zu Farbe, Atemarbeit oder Bewusstsein: arterielle Blutgasanalyse mit CO-Oxymetrie.
• Nach Brand, Rauchgas oder Abgasexposition: Carboxyhämoglobin messen, unabhängig von der SpO₂.
• Nach Gabe von Methylenblau, Indocyaningrün oder Lokalanästhetika mit Methämoglobinbildung: Farbstoffeffekt und Methämoglobin bedenken.
• Endtidales CO₂ fällt plötzlich bei gleicher Beatmung: Kreislauf, Lungenembolie, Diskonnektion und Probenleitung prüfen.
• Keine CO₂-Kurve nach Intubation: No trace, wrong place.
• Temperatur widerspricht dem Zittern oder der Hautwärme: Messort und Methode prüfen, Kernmessort verwenden.

Merksätze

• Pulsoxymetrie: AC/DC bei 660 und 940 nm, Verhältnis R, empirische Kalibrierkurve; R = 1 entspricht etwa 85 %.
• SpO₂ ist Sättigung, nicht Gehalt und nicht Ventilation.
• Kohlenmonoxid täuscht eine normale SpO₂ vor; bei Zweifel CO-Oxymetrie.
• Bei dunkler Haut überschätzt die SpO₂ die Sättigung, besonders im niedrigen Bereich; auf Trends achten und arteriell kontrollieren.²
• Kapnographie: Infrarot um 4,3 µm; Nebenstrom verzögert, Hauptstrom sofort.
• Endtidales CO₂ liegt beim Gesunden 0,5 bis 0,8 kPa unter dem PaCO₂; wächst die Differenz, denken Sie an Totraum und Kreislauf.⁵
• No trace, wrong place: ohne anhaltendes CO₂ Tubus entfernen.⁶
• Sauerstoff atemzugweise paramagnetisch, Brennstoffzelle träge.
• Temperatur am Kern messen, kontinuierlich oder mindestens alle 15 Minuten; Infrarot am Ohr perioperativ nicht.⁸

Aufgaben